Overview
Fuente: Ali Bazzi, Departamento de ingeniería eléctrica, Universidad de Connecticut, Storrs, CT.
La máquina de C.C. funciona con tensiones frente a una máquina de la CA, que requiere voltajes y corrientes AC y DC corrientes. Máquinas DC fueron los primeros en inventar y utilizar dos campos magnéticos que están controlados por corrientes DC. La misma máquina puede configurarse fácilmente para ser un motor o un generador de excitación de campo apropiado está disponible, ya que la máquina de C.C. tiene dos campos llamados de campo y armadura. El campo es generalmente en el lado del estator y la armadura está en el lado del rotor (contrario o al revés en comparación con máquinas de AC). Excitación de campo se puede proporcionar por imanes permanentes o una bobina (bobina). Cuando se aplica corriente a la bobina de inducido o rotor, pasa de la fuente de DC a la bobina a través de pinceles que son inmóviles y anillos colectores montados sobre el rotor giratorio tocar los pinceles. Cuando la bobina de la armadura del rotor es un bucle de corriente y se expone a un campo externo del estator o campo de imán, se ejerce una fuerza en el lazo. Puesto que el bucle está "colgando" a ambos lados del motor con rodamientos, la fuerza produce un torque que gire el eje del rotor en lugar de moverse en otra dirección.
Esta rotación hace que los campos magnéticos alinear, pero al mismo tiempo, deslice anillos lados del interruptor de los cepillos o "conmutar", y esto es lo que se conoce como el proceso de conmutación. Cuando se produce esta conmutación, un flujo de corriente en la bobina del rotor se invierte y campos magnéticos se oponen mutuamente otra vez, causando más esfuerzo de torsión en la misma dirección de rotación. Este proceso continúa y el eje del rotor gira ofreciendo acción motor. En la operación del generador, la rotación mecánica se proporciona para el eje del rotor y los flujos actuales de rotor después es inducida por una bobina móvil en un campo magnético.
Las máquinas en este experimento tienen un devanado de campo en lugar de imanes permanentes. Un proceso de conmutación que es fundamental en el funcionamiento de la máquina de C.C. utiliza anillos colectores y escobillas para transferir energía del rotor (inducido) al mundo exterior, ya que el rotor está girando y tener cables de giro twist y romperlos. Sin embargo, estas escobillas y anillos colectores tienen inconvenientes de mayor confiabilidad ya que requieren un mantenimiento regular, cepillo de recambio, limpieza y pueden causar chispas. Esto ha llevado a la sustitución de la mayoría de las máquinas DC por las máquinas de AC que no tienen estos problemas, y restantes máquinas de C.C. tienen sobre todo excitación de campo de imán permanente, como en juguetes y herramientas simples de baja potencia. Llamadas máquinas de CC sin escobillas de máquinas de AC (o BLDCs) son máquinas de AC que utilizan una fuente y poder electrónico inversor de la C.C. para obtener voltajes de AC del inversor.
El objetivo de este experimento es probar dos configuraciones principales de la máquina de CC: shunt y serie. Las pruebas están diseñadas para estimar el flujo residual en la máquina y estudiar las características de vacío y carga de configuraciones diferentes.
Principles
Existen cuatro configuraciones principales de máquinas de C.C.: por separado emocionado, derivación, serie y compuesto. Estas configuraciones se clasifican según la ubicación de la excitación de campo, donde el campo es uno de los campos magnéticos necesarios para operar la máquina como motor o generador. Puesto que el devanado de campo es alimentado por una fuente de CC, esa fuente puede ser la misma que la alimentación de armadura del motor de la C.C., o puede ser separada. Cuando separados, la máquina se denomina "emocionado por separado", y cuando no, la ubicación de la bobina de campo en el circuito del motor determina qué tipo de configuración es. Si el devanado de campo se coloca en paralelo con el devanado de armadura para ver la misma fuente de voltaje alimenta a la armadura, la máquina está en la configuración en paralelo o derivación.
Si el devanado de campo está en serie con el devanado de armadura para que tengan la misma corriente, la máquina está en la configuración de serie. Si se dispone de dos bobinados, es decir, se utilizan los bobinados serie y derivación, entonces la máquina está en la configuración del compuesto. La configuración por separado emocionada es independiente de la armadura y puede ser regulada para apoyar la carga varia a través del control automático. Sin embargo, derivación, serie y configuraciones compuestas drenaje actuales de la misma fuente de armadura y por lo tanto se ven afectadas por las variaciones de voltaje de carga y de la armadura.
Con ninguna excitación de campo, magnetismo residual debido al campo magnético residual (λR) en la máquina actúa como una fuente de excitación de campo menor. Esto puede ser expresado como un término adicional en la ecuación posterior f.e.m. (EA) "λRω" que se agrega a "KIFω" donde ω es la velocidad mecánica de la máquina. Para una máquina de CC compuesta, EA es por lo tanto,
EA= KshqueFshω+ KsemeFseω+ λRω, (1)
donde "se « está parado para la serie,"sh " está parado para la desviación y los términos de K es las constantes de campo relacionados con el campo actual y mecánica velocidad la f.e.m. espalda Recuerde que los valores de K son constantes hasta que se alcanza un límite de saturación, después de que EA satura a un valor determinado.
Idealmente, λR se asume para ser cero, pero esto no es realista. Para determinar λR, una máquina de C.C. se ejecuta como un generador sin excitación derivación o serie y sin carga. Así pues, el terminal voltaje medido VA=EA. Si se mide ω , λR puede ser determinado. EA es un voltaje característico de las máquinas de CC, una tensión que contrarresta la tensión de armadura para limitar la corriente en la máquina. En funcionamiento del motor, el EA es menor que la tensión de armadura, y los conductores EA mayor menos armadura actual. Depende de la velocidad del eje como se muestra en la ecuación 1, y por lo tanto tener una mayor EA causa mayores velocidades de funcionamiento. En aplicaciones de generador, EA es el voltaje inducido de rotación de un campo magnético en la armadura contra el campo.
Para una máquina de derivación, conserva de la ecuación 1, pero queFse se establece en cero; para una máquina de serie, conserva de la ecuación 1, pero queFsh se establece en cero. Máquinas compuestas tienen derivación y serie conectada y pueden ser en formato largo o corto. Cuando ambos campos existen, su efecto puede Agregar para arriba o se oponen entre sí por la armadura, y estas configuraciones se llaman acumulativo o diferencial. Estas configuraciones se logra variando la ubicación del campo shunt antes o después del campo de serie, y disponiendo de las corrientes de campo entren o salgan de sus respectivos puntos. Figura 1-4 muestra todas las configuraciones de cuatro.
Figura 1: Un esquema de la configuración de tiempo compuesto acumulativo.
Figura 2: Un esquema de una configuración compuesto corto acumulativo.
Figura 3: Un esquema de una configuración diferencial compuesto largo.
Figura 4: Un esquema de una configuración diferencial de compuesto corto.
El objetivo de este experimento es comparar la corriente, voltaje y carga las relaciones en serie y derivación configuran motores de corriente continua. Puesto que solamente una alta potencia DC fuente de alimentación está disponible en esta demostración, no está cubierta por separado emocionado de la operación. Para las configuraciones serie y shunt, el motor del generador de CC es un motor síncrono que regula su velocidad a 1800 RPM. Cualquier momento una medición de corriente DC es necesario, por ejemplo IA o IFsh, utilice el multímetro digital en el modo actual (Asegúrese que los terminales del multímetro están en la configuración actual).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. DC pruebas
- Con la baja potencia DC fuente de alimentación limitada a 0,8 A, conecte los terminales de alimentación a la armadura de máquina de CC.
- Registrar la fuente de la tensión y las lecturas de corriente.
- Estimar la resistencia de cada devanado.
- Repita para las otras bobinas, la desviación de campo y el campo de la serie, uno a la vez.
- Apague y desconecte la fuente de alimentación de DC de baja potencia.
- Ajuste el reóstato de campo incorporado a máxima resistencia y medir su resistencia.
- Ajuste el reóstato de campo de serie (externa) a la resistencia máxima y medir su resistencia.
2. fuerza motriz-configuración y magnetismo Residual
El prime-mover en este experimento es la máquina síncrona, que funciona como un motor que gira el rotor del generador DC (armadura).
- Asegúrese que el interruptor de desconexión trifásica interruptor de motor síncrono e interruptor motor de la C.C. todos estén apagados.
- Compruebe que el VARIAC es 0%.
- El VARIAC de alambre a la salida de tres fases y conectar el programa de instalación que se muestra en la figura 5.
- Compruebe que el interruptor de "Inicio/ejecutar" está en la posición "Start".
- Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
- Encienda la fuente de alimentación de alta tensión.
- Asegúrese que todas las conexiones estén libres de los terminales de alimentación.
- Presione el "V / DIS" botón en la fuente para mostrar la tensión y puntos de operación actuales. Ajuste la perilla de tensión de 125 V.
- No presione el botón de inicio.
- Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
- Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que VAC1 Lee 120 V.
- Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, mueva el interruptor Start/Run en la posición Run.
- Medir y registrar la velocidad de giro con la luz estroboscópica y grabar VA.
- Apague la fuente de alimentación y retomar el VARIAC de 0%.
- Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
- Apague el interruptor de desconexión de tres fases.
Figura 5 : Un esquema de cómo configurar el motor-. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
3. Caracterización de generador Shunt DC
- En el lado del generador DC, conecte el campo shunt en paralelo con el campo de armadura tal como se muestra en la figura 6.
- Utilice el reóstato incorporado para RFsh(ext)y utilice el multímetro como un amperímetro para medir la Fshme.
- «S1» mantener abierto para una prueba sin carga.
- Mantener «RFsh(ext)« en máxima resistencia.
- Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
- Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
- Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que VAC1 Lee 120 V.
- Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, llevar el interruptor de "Inicio/ejecutar" en la posición "Run".
- Medir la velocidad del eje, utilizando la técnica de luz estroboscópica que se describe en otra parte.
- Registro VA en esta condición sin carga en el lado del generador de CC.
- Reducir RFsh(ext) hasta que el voltaje generado en el VA alrededor de 150 V.
- Después de ese punto, reducir «RFsh(ext)"en cinco pasos casi igual hasta que se alcanza la mínima resistencia.
- Para cada paso, medir VA y yoFsh.
- RFsh(ext) de dejar en su valor mínimo.
- Apague la fuente de alimentación.
- Reducir el VARIAC de salida a 0%.
- Mueva el amperímetro de medición queFsh para medir IA.
- Reiniciar la configuración como se describe anteriormente.
- Establece RL en Ω 300 y activar "S1". Medir VA y IA.
- Gire a la "S1" set RL a Ω 200, entonces encienda "S1." Medida VAy IA.
- Gire a la "S1" set RL a Ω 100, entonces encienda "S1." Medida VAy IA.
- Apague la fuente de alimentación y establecer el VARIAC de salida a 0%.
- Mantener el lado del generador síncrono de la configuración intacta.
- Desconecte las conexiones del generador de CC.
- Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
- Apague el interruptor de desconexión de tres fases.
Figura 6 : Un esquema de la configuración del generador shunt DC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. DC serie generador caracterización
- En el lado del generador DC, conecte el campo de serie en serie con el campo de armadura, como se muestra en la Fig 7.
- Utilice el reóstato externo para RFse(ext).
- Utilizar el reóstato incorporado como RL y tienen a máxima resistencia.
- «S1» mantener abierto para una prueba sin carga.
- Mantenga RFse(ext) a máxima resistencia.
- Encienda el interruptor de desconexión de tres fases.
- Presione el botón "Inicio" en el panel de suministro de energía DC.
- Lentamente aumente la salida del VARIAC, hasta que VAC1 Lee 120 V.
- Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, llevar el interruptor de "Inicio/ejecutar" en la posición "Run".
- Medida VA en esta condición sin carga en el lado del generador de CC.
- Encienda "S1" y reducir RFse(ext) según sea necesario a ver cero VA.
- Variar RL en cinco pasos casi igual hasta su ajuste de 50%, a Ω 300 y activar "S1." Medir la velocidad VAy IA.
- Gire a la "S1" set RL a Ω 200, entonces encienda "S1." Medir la velocidad VAy IA.
- Gire a la "S1" set RL a Ω 100, entonces encienda "S1." Medir la velocidad VAy IA.
- Apague la fuente de alimentación.
- Establecer el VARIAC de salida a 0%.
- Mantener el lado del generador síncrono de la configuración intacta.
- Desconecte las conexiones del generador de CC.
- Restablezca el interruptor de "Inicio/ejecutar" a "Inicio".
- Apague el interruptor de desconexión de tres fases.
- Desmontar todos los cables y metros.
Figura 7 : Un esquema de la serie instalación de generador DC. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
<
Motores, equipo de la impulsión, que van desde pequeños juguetes y herramientas eléctricas recargables, vehículos eléctricos. Estas máquinas electromecánicas constan de una bobina conductora interior, llamado la armadura y un imán externo, llamado estator. Una fuente de CC proporciona corriente a la armadura a través de productos alimenticios de un conmutador. Inducir la fuerza electromagnética y permitiendo la rotación del lazo. La magnitud de la fuerza electromagnética depende del ángulo entre el campo magnético y la bobina, creando fluctuaciones de esfuerzo de torsión con rotación. Devanados múltiples, espaciados alrededor de la armadura, minimizan las fluctuaciones del esfuerzo de torsión y prevenir la forma de conmutador cortocircuitar la fuente de alimentación. La goma Conmutador cambia periódicamente la dirección de la corriente por la bobina, más prevención de la alineación de los campos magnéticos. Este video presenta configuraciones de motor DC y muestra la medición de las características de funcionamiento del motor DC, tales como velocidad, corriente y la tensión con carga variable.
Arrancadores de imán permanente, en las máquinas de CC son los más comunes, sin embargo, cuando el campo magnético de arrancadores se produce a través de bobinas de conductores, características de rendimiento, tales como velocidad y esfuerzo de torsión de salida, puede modificarse a través del diseño de campo eléctrico. Por ejemplo, velocidad está relacionada con la tensión desarrollada por el motor, llamado la fuerza motor de electro, o EMF. Del mismo modo, el esfuerzo de torsión es proporcional a la corriente. Estas características varían dependiendo del diseño del motor, e influencia el diseño del motor seleccionado para ciertas aplicaciones. Las cuatro configuraciones electrónicas básicas de DC máquinas son por separado emocionado, derivación, serie y compuesto. Motores por separado emocionados utilizan fuentes de alimentación separadas para el campo y la armadura, permitiendo el control independiente soportar cargas variables. En derivación el diseño, la configuración más común, arrollamientos están conectados paralelamente a la carga de la armadura, con una fuente común. Esto proporciona velocidad ajustable de carga variable, que es útil en máquinas herramientas y bombas Centrífugal. En configuración de serie, una fuente de energías del campo y la armadura en serie. Esto ofrece un mayor par de arranque para superar cargas de inercia en el equipo, tales como trenes, ascensores o montacargas. Compuesto de motores utilizan circuitos de serie y shunt de alto par de arranque y regulación de la velocidad de diseño. El campo de la desviación se puede carga antes o después del campo de serie. Ahora que las configuraciones de los motores de la C.C. han sido subrayadas, se demostrará el análisis de corriente, voltaje y carga las relaciones en los motores shunt DC.
Los datos recopilados en las pruebas de CC pueden utilizarse para construir modelos de circuito equivalente si es necesario. Antes de medir las características eléctricas del motor DC, establecer la baja potencia DC a 0,8 amperios de la fuente y conecte los terminales de alimentación a la armadura de la máquina. Luego, registro de las fuentes de voltaje y corriente. A continuación, utilice un multímetro para medir voltaje y corriente en la armadura, la bobina el campo shunt y el campo de serie. Utilizar los datos para estimar la resistencia de cada componente. Después de medir las características básicas del generador motor DC, conjunto construido en el reóstato de campo a los valores máximo y medir su resistencia. Finalmente, establece el reostato de campo serie externa en su límite superior y medir su resistencia.
Tras las pruebas de motor DC, una máquina síncrona se utiliza para girar la armadura de la máquina de CC. Así, la máquina de C.C. se ejecuta como un generador, sin excitación del campo, a continuación, sin carga. Bajo estas condiciones, el terminal voltaje es igual a EMF. La velocidad de giro del generador es medida y utilizada para calcular el magnetismo retenido por la armadura en la ausencia de excitación de la bobina, llamada magnetismo residual. En primer lugar, verifique que las tres fase de desconexión, motor síncrono y motor de la C.C. están todos desconectados. Luego, coloque un pequeño trozo de cinta al rotor externo motor DC. Después de comprobar que el variac se establece en cero por ciento, alambre el variac en la salida de tres fases. A continuación, conecte la configuración como se muestra. A continuación, compruebe que el interruptor de arranque ejecutar la posición de inicio. Después de los ajustes a la variac, confirman que todas las conexiones de los terminales de alimentación. Sólo entonces, encienda el interruptor de desconexión de la tres fase. A continuación, encienda el alto voltaje DC fuente de alimentación, presione el botón de indicación de VI para mostrar el funcionamiento extremo actual y ajustar la perilla de tensión de 125 voltios. No presione el botón start antes de ajustar la perilla de tensión. Presione el panel de suministro de energía Inicio botón el DC y encienda el equipo. Luego, poco a poco aumentar la salida variac hasta que el voltaje terminal Lee 120 voltios. Cuando el motor síncrono alcanza una velocidad de estado estacionario, mueva el interruptor de arranque ejecutar ejecutar. Preste atención a los cambios de sonido de la máquina. El sonido de la máquina se vuelve monotónico en estado estacionario. Utiliza la luz estroboscópica para congelar el movimiento del motor, sincronizando la velocidad estroboscópica a la velocidad de rotación del motor. La cinta conectada al rotor aparecerá inmóvil cuando la luz estroboscópica sincronizada. Confirman que este ritmo es la velocidad del motor al aumentar lentamente la tasa estroboscópica para sincronizar el ventilador a la siguiente tasa más alta. Si es correcta, este será doble de la primera luz estroboscópica observado sincronización tasa. Esta secuencia de arranque se repetirá antes de cada prueba subsiguiente. Después del inicio, registrar el número de revoluciones del motor y la tensión de armadura. Utilizar estos datos para calcular la fuerza de campo magnético residual.
Máquinas de CC se utilizan en una variedad de aplicaciones. Una vez que se caracterizan los parámetros de funcionamiento de diversas máquinas, puede elegir en base a especificaciones de diseño para un dispositivo determinado. El generador de la C.C. puede ser caracterizado en diversas configuraciones, tales como la configuración de la desviación. Con el interruptor S1 abierto, para ninguna carga de la prueba, resistentes a las carga de campo final se ajustan al máximo. Entonces, se registran la velocidad del eje y la tensión terminal como se ha descrito anteriormente. La resistencia de shunt se reduce en cinco pasos hasta que se alcanza la resistencia mínima. Y miden el voltaje terminal y la corriente en la resistencia de derivación. El motor se puede medir con cargas simuladas usando resistencias de carga, siguiendo el mismo protocolo. Cada tipo de generador de la C.C. tiene su propia salida de corriente de voltaje. Generadores shunt pueden proporcionar voltaje para una amplia gama de la carga actual, mientras que los generadores de serie proporcionan tensión creciente con la carga actual. En una variedad de aplicaciones, donde una fuente de energía inalámbrica se prefiere, como prótesis motorizadas, motores de corriente continua están el actuador de elección. En prótesis de extremidad inferior neurally controlado, ya sea superficie o transdérmica sensores se utilizan para enviar señales a las juntas de motorizadas en la extremidad de reemplazo, tanto como una pierna intacta. Puerta y del pie flexión son controlados más natural e intuitiva que sería posible usar un reemplazo de extremidades rígidas.
Sólo ha visto introducción de Zeus para motores de corriente continua. Ahora usted debe entender cómo funciona un motor de DC y cómo caracterizar sus parámetros. Gracias por ver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Bobinas de serie llevan típicamente alta corriente nominal de armadura nominal de la máquina actual, ya que los devanados serie y armadura están en serie. Por lo tanto, serie bobinados se esperan que sean del orden de una mΩ a unas bobinas de desviación Ω. por otro lado debe llamar la corriente mínima de la fuente de energía junto con la armadura de la máquina, y por lo tanto, tienen valores de resistencia grande de decenas a cientos o incluso miles de Ω.
El residual λR puede estimarse mediante la medición de la tensión de armadura sin carga. Puesto que esto una condición sin carga, la f.e.m. de espalda y tensión de armadura son las mismas, y la posterior f.e.m. (EA) es una función de λR tal que EA=If λRωm donde If es el campo actual y ωm es la velocidad mecánica.
Cada tipo de máquina tiene su propia curva corriente tensión o esfuerzo de torsión-velocidad. La ventaja de los generadores shunt es que puede proporcionar voltaje sin tener cualquier carga hasta plena carga, mientras que los generadores de serie se caracterizan por no ser capaces de proveer cualquier tensión a menos que haya alguna carga.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
Máquinas de CC son significativamente menos común de lo que solían ser antes de la invención de máquinas síncronas y de inducción de la CA. Siguen siendo comunes en aplicaciones de baja potencia simple como juguetes, pequeños robots y equipos antiguos. Máquinas de CC de imán permanente, que utilizan abundante no tierra rara imanes, son más comunes que sus piezas contrarias de shunt y serie debido a la excitación más simple, especialmente en aplicaciones de bajo costo y baja complejidad.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
